Safety-constrained autonomous relative navigation via multi-sensor perception for the floating satellite simulator REACSA

Questa tesi presenta un framework di navigazione relativa per una piattaforma a dinamica libera utilizzata per simulare il comportamento di satelliti, disponibile presso l'European Space Agency Orbital Robotics Laboratory. In questo contesto, la piattaforma opera in prossimità ravvicinata di un target non cooperativo. Questo lavoro risponde alla crescente necessità di sistemi di guida autonoma durante fasi critiche delle operazioni spaziali, nelle quali un target può essere ricostruito solo tramite i sensori di bordo. L'approccio proposto integra, in un'unica architettura, tecniche di sensor fusion per la stima della posizione del target e strategie di controllo orientate alla sicurezza. La stima della posizione sfrutta due modalità di sensing complementari: un LiDAR fornisce misure tridimensionali dell'ambiente, da cui si ricava la posizione del target tramite tecniche di clustering, mentre una camera rileva marker ArUco montati sul target, consentendo una stima efficiente della posizione. Le misurazioni dei due sensori sono combinate tramite un Extended Kalman Filter, che integra osservazioni asincrone ottenendo una stima consistente della posizione del target. Sulla base della posizione stimata, l'architettura di controllo estende una strategia di trajectory tracking verso una formulazione adattiva, nella quale la traiettoria è aggiornata in funzione della stima più recente del target. Per garantire operazioni sicure nelle manovre di prossimità, si introduce una High Order Control Barrier Function che agisce da filtro, imponendo vincoli di distanza minima e modificando il controllo solo se necessario. Il framework è stato implementato in un'architettura distribuita basata su ROS2, testato in simulazione e validato presso l'Orbital Robotics Laboratory di ESA. Nel complesso, i risultati dimostrano l'efficienza di questa architettura per operazioni di prossimità, nella quale pose estimation e controllo adattivo sono integrati con garanzie formali di sicurezza.